Сверхпроводники позволяют электрическому току проходить без сопротивления, а топологические изоляторы представляют собой тонкие пленки толщиной всего в несколько атомов, которые ограничивают движение электронов к их краям, что приводит к уникальным свойствам. Исследовательская группа в Penn State нашел новый способ объединить два материала с особыми электрическими свойствами. Их метод предлагает основу топологического квантовые компьютеры которые более стабильны, чем их традиционные аналоги.
В этом исследовании исследователи использовали метод молекулярно-лучевой эпитаксии для синтеза топологического изолятора и сверхпроводник фильмы. Затем они создали двумерную гетероструктуру, которая является отличной платформой для изучения явления топологической сверхпроводимости.
Сверхпроводимость тонких пленок в более ранних исследованиях по смешиванию двух материалов обычно исчезает, как только сверху образуется топологический изоляционный слой. К трехмерному «объемному» сверхпроводнику физики добавили лист топологического изолятора, сохранив характеристики обоих материалов. Однако приложения для топологических сверхпроводников, таких как чипы с низким энергопотреблением внутри квантовых компьютеров или смартфонов, должны быть двумерными.
В этом исследовании исследователи наложили топологическую изоляционную пленку из селенида висмута (Bi2Se3) разной толщины на сверхпроводниковую пленку из однослойного диселенида ниобия (NbSe2), в результате чего конечный продукт получился двумерным. Синтезировав гетероструктуры при очень низкой температуре, команда сохранила топологические и сверхпроводящие свойства.
Хемиан Йи, научный сотрудник Исследовательской группы Чанг в Пенсильванском университете и первый автор статьи, сказал: «В сверхпроводниках электроны образуют «куперовские пары» и могут течь с нулевым сопротивлением, но сильное магнитное поле может разрушить эти пары».
«Монослойная сверхпроводниковая пленка, которую мы использовали, известна своей «сверхпроводимостью Изинга», что означает, что куперовские пары устойчивы к магнитным полям в плоскости. Мы ожидаем, что таким образом топологическая сверхпроводящая фаза, образующаяся в наших гетероструктурах, будет надежной».
Исследователи обнаружили, что гетероструктура изменилась со сверхпроводимости типа Изинга, где спин электрона перпендикулярен пленке, на «сверхпроводимость типа Рашбы», где спин электрона параллелен пленке, путем тонкого изменения толщины топологического изолятора. . Это явление также наблюдается в теоретических расчетах и моделировании исследователей.
Эта гетероструктура также могла бы стать хорошей платформой для изучения майорановских фермионов. Эта неуловимая частица значительно сделает топологический квантовый компьютер более стабильным, чем его предшественники.
Цуй-Зу Чанг, профессор ранней карьеры Генри В. Нерра и доцент кафедры физики в Пенсильванском университете, — сказал, «Это отличная платформа для исследования топологических сверхпроводников, и мы надеемся, что в нашей дальнейшей работе мы найдем доказательства топологической сверхпроводимости. Как только мы получим убедительные доказательства топологической сверхпроводимости и продемонстрируем физику Майораны, эту систему можно будет адаптировать для квантовых вычислений и других приложений».
Справочник журнала:
- Цуй-Зу Чанг, Переход от сверхпроводимости типа Изинга к сверхпроводимости Рашбы в эпитаксиальных гетероструктурах Bi2Se3/монослой NbSe2, Природа материалы (2022). ДОИ: 10.1038 / s41563-022-01386-г
